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瑞典皇家理工四校顶刊丨激光增材制造316L不锈钢循环塑性和疲劳行为的实验研究与数值模拟

增材制造博硕联盟

13天前浏览1154

1. 研究背景及目的

与传统制造（CM）方法相比，增材制造（AM）技术设计更灵活、生产时间更短，这些优点促使AM金属逐渐取代CM金属。特别是，通过粉末床熔融激光束（PBF-LB）制造的不锈钢316L更多地用于核电等关键行业应用。因此，预测AM 316L的循环塑性和疲劳行为对于确保其关键应用中结构完整性至关重要。

近日，瑞典皇家理工学院、卡尔斯塔德大学、查尔默斯理工大学联合丹麦奥胡斯大学等研究人员采用试验研究与数值模拟相结合的方法，研究了增材制造316l不锈钢的循环塑性与疲劳行为。相关研究成果以题“Experimental investigation and numerical modelling of the cyclic plasticity and fatigue behavior of additively manufactured 316 L stainless steel" 发表在国际顶级期刊 International Journal of Plasticity 上。

引用: M. Subasic, A. Ireland, R. Mansour, P. Enblom, P. Krakhmalev, M. Åsberg, A. Fazi, J. Gårdstam, J. Shipley, P. Waernqvist, B. Forssgren, P. Efsing. Experimental investigation and numerical modelling of the cyclic plasticity and fatigue behavior of additively manufactured 316 L stainless steel. International Journal of Plasticity, 2024, 176: 103966.

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2. 研究思路/试验方法

基于相对于构建方向在不同方向上的循环迟滞回线，对室温和300℃下的各向异性行为进行了实验研究。本文提出了一种综合本构模型，将Armstrong-Frederick非线性随动硬化、Voce非线性各向同性硬化和Hill各向异性屈服准则集成到3D返回映射算法中。该模型针对0°和90°方向试样进行了校准（见图1），并使用45°方向试样进行了验证（见图2），能准确捕获完整的应力-应变迟滞回线，包括载荷历史效应和饱和度。

图1 实验和模型的循环弹塑性应力-应变曲线：室温下（a）0°和（b）90°；300℃下（c）0°和（d）90°

图2 室温下45°方向实验和模型的循环弹塑性应力-应变曲线（a）各向同性和随动硬化；（b）仅运动硬化

采用该算法计算稳定迟滞回线的能量耗散，并与疲劳测试相结合，提出基于能量的疲劳寿命预测模型。从实验和能量耗散两方面比较了316L和304L疲劳寿命的区别，如图3所示，表明AM 316L在较低应变幅值（能量耗散值）下与304L表现出相似的疲劳寿命，而在较高应变幅值（能量耗散值）下表现出稍长的疲劳寿命。

图3（a）AM 316L和304L在300℃下的疲劳寿命（b）AM 316L和传统304L 0°方向疲劳仿真每循环能量耗散

微观结构图

疲劳断口分析

3. 结论及应用前景

（1）实验结果显示不同方向试样之间循环硬化行为的显著差异性，其中45°方向试样呈现较高应变硬化。

（2）提出了一种基于能量的疲劳寿命预测模型，用于预测LCF状态下AM 316L不锈钢的疲劳寿命，显示每循环能量耗散与疲劳试验寿命之间存在较强相关性。

（3）本研究探讨了AM 316L不锈钢循环塑性本构模型，研究表明AM 316L不锈钢具备替代相关材料潜力，与传统304L不锈钢相比，在300℃下具有相近或更好的疲劳性能。

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2024-05-19

最近编辑：13天前

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